Chất điện giải kép mở khóa tương lai pin nước hiệu suất cao

Thế giới đang khát khao các giải pháp lưu trữ năng lượng an toàn và giá cả phải chăng hơn. Trong bối cảnh đó, pin sử dụng chất điện giải gốc nước (pin nước) nổi lên như một ứng cử viên đầy hứa hẹn nhờ tính an toàn vượt trội và chi phí sản xuất thấp. Tuy nhiên, giới hạn điện áp thấp do nước dễ bị phân hủy vẫn được xem là rào cản lớn nhất, tồn tại trong nhiều thập kỷ qua.

Tuy nhiên, giờ đây một công nghệ đột phá dựa trên chất điện giải kép (dual-salt electrolyte) đang thay đổi cuộc chơi, giúp pin nước đạt được hiệu suất và độ ổn định vốn chỉ có ở pin lithium-ion thương mại.

Mấu chốt công nghệ

Mấu chốt của công nghệ này nằm ở việc thao túng cấu trúc dung môi trong nước. Theo nguyên lý nhiệt động lực học, nước chỉ ổn định trong phạm vi điện áp hẹp khoảng 1,23 Volt. Vượt quá ngưỡng này, nước sẽ phân hủy, tạo ra khí hydro và oxy, làm giảm hiệu suất và rút ngắn tuổi thọ pin.

Các nhà khoa học đã giải quyết vấn đề này bằng chiến lược "Nước trong Muối" (Water-in-Salt), và đỉnh cao là việc sử dụng chất điện giải kép (bi-salt).

Cơ chế hoạt động

Bằng cách hòa tan một lượng lớn muối (hai loại muối trở lên) vào nước, các ion muối chiếm chỗ, làm giảm đáng kể lượng nước tự do trong dung dịch.

Các ion kim loại tích điện (như Zn²⁺ hoặc Li⁺) sẽ ưu tiên liên kết với các anion muối hơn là các phân tử nước. Sự thay đổi này làm tăng khoảng ổn định điện hóa (ESW) của chất điện giải lên mức ấn tượng, có thể đạt 3,8 Volt hoặc thậm chí 4,35 Volt trong một số hệ thống.

Việc mở rộng ESW này cho phép pin nước hoạt động ở điện áp cao hơn, từ đó tăng mật độ năng lượng, đưa pin nước lên ngang tầm với các ứng dụng lưu trữ đòi hỏi khắt khe.

Sự phát triển đột phá

Sự phát triển gần đây nhất và quan trọng nhất là việc thiết kế Chất điện giải kép tách biệt (Decoupled Dual-Salt Electrolyte - DDSE), nơi hai loại muối đóng vai trò riêng biệt và bổ trợ nhau. Muối thứ nhất thường là các ion ngậm nước mạnh, tập trung tại bề mặt điện cực để tạo ra một lớp giao diện chất điện giải rắn (SEI) ổn định, ngăn chặn phản ứng phân hủy của nước.

Trong khi đó, muối thứ hai thường là các ion ngậm nước yếu hơn, giúp phá vỡ mạng lưới liên kết hydro của nước trong khối chất điện giải. Điều này đảm bảo ion kim loại di chuyển nhanh chóng, ngay cả ở nhiệt độ khắc nghiệt.

Nhờ chiến lược DDSE này, các hệ thống pin Zn-ion đã chứng minh được hiệu suất Coulomb (CE) cực cao, lên tới 99,97% trong quá trình mạ/tước kẽm. Pin còn có tuổi thọ vượt trội, duy trì 93% dung lượng sau 900 chu kỳ ở nhiệt độ phòng và thậm chí hoạt động ổn định tới 3.000 chu kỳ ở -40°C, vượt xa khả năng của nhiều loại pin thương mại hiện nay.

Tương lai ứng dụng thực tế

Công nghệ chất điện giải kép là một bước tiến quan trọng hướng tới việc thương mại hóa pin nước, đặc biệt cho các ứng dụng lưu trữ năng lượng quy mô lớn, nơi chi phí, an toàn và tuổi thọ là những yếu tố then chốt.

Sử dụng chất điện giải nước giúp loại bỏ nguy cơ cháy nổ, là ưu điểm vượt trội so với pin lithium-ion vốn sử dụng dung môi hữu cơ dễ cháy.

Công nghệ chất điện giải kép tận dụng các vật liệu dồi dào trên trái đất như kẽm, nhôm và carbon/graphite (có thể sử dụng làm cực âm) thay vì các kim loại quý hiếm và đắt tiền như Cobalt hay Niken. Hơn nữa, pin nước cho phép sử dụng các chất thu dòng chi phí thấp như nhôm (Aluminum current collectors) và quy trình sản xuất đơn giản hơn (không yêu cầu môi trường khô tuyệt đối).

Với độ bền chu kỳ cao và khả năng vận hành trong dải nhiệt độ rộng, pin nước với chất điện giải kép là giải pháp lý tưởng để cân bằng và lưu trữ năng lượng từ các nguồn tái tạo không ổn định như điện mặt trời và điện gió.

Tóm lại, việc chế tạo thành công chất điện giải kép không chỉ giải quyết được điểm yếu chí mạng của pin nước mà còn mở ra con đường hiện thực hóa một công nghệ lưu trữ năng lượng sạch, an toàn và bền vững cho tương lai.